Насыпь гальки - Pebble accretion
В гальки срастания срастание объектов в диапазоне от сантиметров до метров в диаметре на планетезималями в протопланетного диска повышается за счет аэродинамического сопротивления от газа , присутствующего в диске. Это сопротивление снижает относительную скорость гальки, когда они проходят мимо более крупных тел, не позволяя некоторым из них вырваться из-под гравитации тела. Эти камешки затем накапливаются телом, закручиваясь по спирали или оседая на его поверхности. Этот процесс увеличивает поперечное сечение, по которому большие тела могут срастаться, ускоряя их рост. Быстрый рост планетезималей за счет аккреции гальки позволяет формировать ядра гигантских планет во внешней Солнечной системе до рассеивания газового диска. Уменьшение размера гальки по мере того, как они теряют водяной лед после пересечения линии льда, и уменьшение плотности газа по мере удаления от Солнца замедляют темпы аккреции гальки во внутренней Солнечной системе, что приводит к уменьшению размеров планет земной группы, небольшой массы Марса. и пояс астероидов малой массы.
Описание
Гальки размером от сантиметров до метра аккрецируются в протопланетном диске с повышенной скоростью . Протопланетный диск состоит из смеси газа и твердых тел, включая пыль, гальку, планетезимали и протопланеты . Газ в протопланетном диске поддерживается давлением и, как следствие, движется по орбите со скоростью, меньшей, чем у больших объектов. Газ влияет на движение твердых тел по-разному в зависимости от их размера, при этом пыль движется вместе с газом, а самые большие планетезимали, вращающиеся по орбите, в значительной степени не подвержены влиянию газа. Галька - промежуточный случай, аэродинамическое сопротивление заставляет их оседать в направлении центральной плоскости диска и вращаться по орбите с субкеплеровской скоростью, что приводит к радиальному дрейфу к центральной звезде . Галька часто встречает планетезимали из-за их меньшей скорости и сноса внутрь. Если бы на их движения не влиял газ, только небольшая часть, определяемая гравитационной фокусировкой и поперечным сечением планетезималей, была бы аккрецирована планетезималиями.
Остальные будут следовать гиперболическим путям, ускоряясь к планетезимали при приближении и замедляясь при удалении. Однако сопротивление, которое испытывают гальки, растет по мере увеличения их скорости, в некоторых случаях замедляясь настолько, что они становятся гравитационно связанными с планетезималью. Эти камешки продолжают терять энергию, когда они вращаются вокруг планетезимали, заставляя их двигаться по спирали к планетезимали и аккрецироваться к ней.
Маленькие планетезимали накапливают гальку, которая проносится мимо них с относительной скоростью газа. Эти камешки, время остановки которых похоже на время Бонди планетезималей, накапливаются в пределах его радиуса Бонди . В этом контексте радиус Бонди определяется как расстояние, на котором объект, приближающийся к планетезималью с относительной скоростью газа, отклоняется на один радиан; время остановки - это экспоненциальная шкала времени для замедления объекта из-за сопротивления газа, а время Бонди - это время, необходимое объекту для пересечения радиуса Бонди. Поскольку радиус Бонди и время Бонди увеличиваются с увеличением размера планетезимали, а время остановки увеличивается с размером гальки, оптимальный размер гальки увеличивается с размером планетезимали.
Меньшие объекты с отношением времени остановки к разу Бонди менее 0,1 вытягиваются из потока, проходящего мимо планетезимали, и срастаются с меньшего радиуса, который уменьшается пропорционально квадратному корню из этого отношения. Более крупные, слабосвязанные гальки также наращиваются менее эффективно из-за эффекта трех тел, радиус которого увеличивается в результате быстрого уменьшения в соотношении от 10 до 100. Радиус Бонди пропорционален массе планетезимали, поэтому относительная скорость роста пропорциональна квадрату массы что приводит к стремительному росту. Аэродинамическое отклонение газа вокруг планетезимали снижает эффективность нарастания гальки, что приводит к максимальному временному масштабу роста на 100 км.
Более крупные планетезимали, превышающие переходную массу примерно массы Цереры во внутренней Солнечной системе и массы Плутона во внешней Солнечной системе, срастают гальку с числами Стокса, близкими к единице от их радиуса Хилла. Число Стокса в этом контексте является произведением времени остановки и частоты Кеплера. Как и в случае маленьких планетезималей, радиус срастания гальки уменьшается для гальки меньшего и большего размера. Оптимальный размер гальки для больших планетезималей измеряется в см из-за комбинации радиуса аккреции и скорости радиального дрейфа гальки. По мере роста объектов их аккреция изменяется от 3-D, с аккрецией от части толщины галечного диска, до 2D с аккрецией от полной толщины галечного диска. Относительная скорость роста при двумерной аккреции пропорциональна олигархическому росту и образованию тел аналогичного размера. Аккреция на гальку может привести к удвоению массы ядра с массой Земли всего за 5500 лет, уменьшая временные рамки для роста ядер планет-гигантов на 2 или 3 порядка по сравнению с аккрецией планетезималей. Гравитационное влияние этих массивных тел может создать частичный зазор в газовом диске, изменяя градиент давления. Затем скорость газа становится суперкеплеровской за пределами зазора, останавливая дрейф гальки внутрь и прекращая нарастание гальки.
Внешняя Солнечная система
Если образование гальки идет медленно, аккреция гальки приводит к образованию нескольких газовых гигантов во внешней Солнечной системе . Формирование газовых гигантов является давней проблемой в планетарной науке . Аккреции из ядер гигантских планет через столкновения и слияния планетезималей медленно и может быть трудно завершить до газового диска рассеется. Тем не менее, формирование через столкновения планетезималей может происходить в течение типичного срока службы протопланетного диска . Самые большие планетезимали могут расти намного быстрее за счет аккреции гальки, но если формирование или доставка гальки происходит быстро, вместо нескольких ядер гигантских планет образуются многочисленные планеты земной массы . Когда самые большие объекты приближаются к массе Земли, радиус, с которого нарастают камешки, ограничивается радиусом Хилла . Это замедляет их рост по сравнению с их соседями и позволяет многим объектам накапливать одинаковые массы гальки.
Однако, если формирование или доставка гальки происходит медленно, время роста становится больше, чем время, необходимое для гравитационного перемешивания. Затем самые большие планетезимали вызывают наклон и эксцентриситет меньших планетезималей. Их наклонные орбиты удерживают маленькие планетезимали вне узкого диска из гальки в течение большей части их орбит, ограничивая их рост. Затем период безудержного роста удлиняется, и самые крупные объекты могут наращивать значительную часть гальки и превращаться в ядра гигантских планет. По мере того, как ядра становятся больше, некоторые достигают массы, достаточной для создания частичных зазоров в газовом диске, изменяя его градиент давления и блокируя снос гальки внутрь. Затем нарастание гальки останавливается, и газовая оболочка, окружающая ядро, охлаждается и схлопывается, что способствует быстрой аккреции газа и образованию газового гиганта. Ядра, которые не становятся достаточно массивными, чтобы очистить промежутки в галечном диске, способны только срастаться с небольшими газовыми оболочками и вместо этого становиться ледяными гигантами . Быстрый рост за счет аккреции гальки позволяет ядрам расти достаточно большими, чтобы срастаться с массивными газовыми оболочками, образующими газовые гиганты, избегая при этом миграции очень близко к звезде. В симуляциях холодные газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, могут образоваться за счет срастания гальки, если их первоначальные зародыши начнут расти за пределами 20 а.е. Это далекое образование предлагает возможное объяснение обогащения Юпитера благородными газами. Однако специальные модели образования показывают, что трудно согласовать рост за счет аккреции гальки с окончательной массой и составом ледяных гигантов Солнечной системы Урана и Нептуна .
Внутренняя Солнечная система
Планеты земной группы могут быть намного меньше планет-гигантов из-за сублимации водяного льда, когда галька пересекает линию льда . Радиальный дрейф гальки переносит их через линию льда, где водяной лед сублимируется, высвобождая силикатные зерна. Силикатные зерна менее липкие, чем ледяные зерна, что приводит к подпрыгиванию или фрагментации во время столкновений и образованию более мелких камешков. Эти более мелкие камешки рассыпаются в более толстый диск турбулентностью в газовом диске. Массовый поток твердых тел, дрейфующих через земную область , также уменьшается вдвое из-за потери водяного льда. В сочетании эти два фактора значительно снижают скорость увеличения массы планетезималей во внутренней Солнечной системе по сравнению с внешней Солнечной системой. В результате планетарные зародыши с лунной массой во внутренней части Солнечной системы могут вырасти только до массы Марса, тогда как во внешней Солнечной системе они могут вырасти до более чем 10-кратной массы Земли, образуя ядра планет-гигантов. Если вместо этого начать с планетезималей, образованных в результате потоковой нестабильности, то это даст аналогичные результаты во внутренней Солнечной системе. В поясе астероидов самые большие планетезимали вырастают в зародыши, скопившиеся на Марсе. Эти эмбрионы перемешивают более мелкие планетезимали, увеличивая их наклон, заставляя их покинуть галечный диск. Рост этих меньших планетезималей останавливается в этой точке, замораживая их распределение по размерам, близким к текущему поясу астероидов. Изменение эффективности аккреции в зависимости от размера гальки во время этого процесса приводит к сортировке хондр по размеру, наблюдаемой в примитивных метеоритах.
В земной зоне нарастание гальки играет меньшую роль. Здесь рост происходит из-за смеси гальки и планетезимальной аккреции, пока не сформируется олигархическая конфигурация изолированных зародышей с лунными массами. Продолжающийся рост из-за срастания дрейфующих внутрь хондр увеличивает массу этих эмбрионов до тех пор, пока их орбиты не дестабилизируются, что приводит к гигантским столкновениям между эмбрионами и формированию эмбрионов размером с Марс. Прекращение внутреннего дрейфа ледяной гальки образованием Юпитера до того, как линия льда переместится в земную область, ограничит водную фракцию планет, образованных из этих зародышей.
Малая масса Марса и пояс астероидов малой массы могут быть результатом того, что аккреция гальки становится менее эффективной по мере уменьшения плотности газа в протопланетном диске. Считается, что протопланетный диск, из которого сформировалась Солнечная система, имел поверхностную плотность, которая уменьшалась по мере удаления от Солнца и вспыхивала, увеличивая толщину по мере удаления от Солнца. В результате плотность газа и аэродинамическое сопротивление, ощущаемое камешками, вставленными в диск, значительно уменьшались бы с расстоянием. Если бы галька была крупной, эффективность ее наращивания уменьшалась бы по мере удаления от Солнца, поскольку аэродинамическое сопротивление становится слишком слабым для захвата гальки во время столкновения с самыми большими объектами. Объект, который быстро растет на орбитальном расстоянии Земли, будет медленно расти на орбите Марса и очень мало в поясе астероидов. Формирование ядра Юпитера может также уменьшить массу пояса астероидов, создав зазор в галечном диске и остановив дрейф гальки внутрь из-за границы льда. Объекты в поясе астероидов были бы лишены гальки на раннем этапе, в то время как объекты в земной области продолжали бы срастаться с галькой, дрейфующей из области астероида.